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热力学三大定律的发展过程--第1页
热力学第一定律
热力学第一定律,也就是能量守恒定律,是一切自然科学最重要的守恒律之一。应该说,
它的建立,是经典自然科学历史中最重要的发现。
我在这里介绍的,是1909年喀喇氏指出的热力学第一定律的一种更加符合逻辑的建立
方式。
首先引入准静态过程,这是热物理学中极为重要的概念,它将系统的持续连续变化描述
为间隔状态的连续,这应该是微分思想的一种应用吧。准静态过程的一个重要性质是:当不
考虑摩擦力作用时,系统所经历的过程可以用状态参量描述。我们大学所进行的一切热力学
计算几乎都是建立在这一性质基础之上的。
现在要思考能量传递的三种方式:1.功2.热辐射3.热传递。这里,我们尚不知道热量
为何物,在逻辑上,热量的概念暂时是不可能提出的,可以提到的是功。至于热辐射,超出
简单系统的范围,且对热力学第一定律的建立没有影响,不做考虑。
功,既是热物理的概念,也是力学的概念,其意义在于将几何参量的变化与力学参量的
变化结合起来。数学表达式为
变化功=压强×变化体积
将其推广得到广义力和广义体积,不再解释。
让我们看看Joule(焦耳)的两个实验,他试图找出功与系统的一个微妙关系:
A.在一密闭隔热水箱的水中置一水轮,连线到水箱外的砝码,砝码自由下落带动水轮转
动,测量砝码下落距离与水的温度变化;
B.在一密闭隔热水箱的水中置一金属棒,两端接水箱外一电源,测量水温变化与电池作
用时间及其功率。
从Joule的实验,我们注意到实验中系统的性质——绝热。喀喇氏指出,绝热过程的定
义不应使用热量这一概念,这正是喀喇氏理论的核心。绝热过程定义为:系统状态的变化完
全是由外界的机械功或电磁作用引起,这种过程叫绝热过程。Joule的两个实验都是绝热过
程。
实验的结论是:绝热过程中,外界对系统作功只与系统的初态和末态的状态有关,也就
是说,一个系统的状态量在系统初与末时的差异等于从外界获得的功。我们称这个状态量为
内能。其数学表达为
系统末态内能—系统初态内能=外界对系统作功值
热力学三大定律的发展过程--第1页
热力学三大定律的发展过程--第2页
或
系统内能改变量=外界对系统作功值
这就是内能的引入,似乎比我们想象的药简单,但要知道,Joule做了20年类似上面的两
个实验,谈何容易。
将结论推广到一切过程中,我们发现,系统内能改变量不总等于外界对系统作功值,多
出或少出的部分是一种能量传递引起的,其实正是由于热传递,我们就将这个多出或少出的
部分称系统热量的改变量,变化的物理参数就是热量。于是我们得到等式
系统热量的改变量+外界对系统作功值=系统内能改变量
这就是热力学第一定律。
这里,定义系统热量的增加为正,减少为负;外界对系统作正功(系统对外界作负功)
为正,反之为负。
我们从准静态过程,到功,到Joule的实验,到绝热过程,到内能,到热量,最后得出
热力学第一定律。
热力学第二定律
热力学第二定律是在热力学第一定律(能量守恒定律)建立后不久建立起来的,它的建立与19世纪20年
代卡诺对于热机的研究有着密切的关系。卡诺在探索提高热机效率的研究工作中,抓住了热机的本质,撇
开了各种次要因素,抽象出一个仅仅工作于一个高温热源和一个低温热源(冷源)间的理想热机(卡诺热
机)
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